热塑性带材：推动复合材料航空结构创新

航空结构生产深受COVID-19大流行冲击，但航天努力未必随之停滞，至少对Web Industries（美国马萨诸塞州马尔伯勒）而言是这样，该公司为各种客户应用提供热塑性带材分切服务。据全球研发技术总监Grand Hou介绍，太空、城市空中交通（UAM）和军事领域的研究工作全力以赴，以实现下一代飞机——复合材料，特别是热塑性带材，是这些努力的关键。

热塑性带材并非新事物（详见《CW》主编Jeff Sloan的“想对你说两个词：‘热塑性带材’”了解追溯至1960年代的背景），但过去几年兴趣显著增加，特别是商用航空航天和其他高性能应用（如“未来之翼”计划肋条和“多功能机身演示机”计划等）。与热固性带材相比，热塑性带材具备更高韧性、更易回收、可非热压罐（OOA）加工、可室温储存等优势。

Web Industries处于热塑性开发和应用前沿，最著名的是其多种格式化能力，包括将供应商的热固性和热塑性带材分切成不同形状和格式以满足特定客户需求。凭借位于美国和欧洲设施的带材分切生产线，Web的能力包括格式化高性能聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）和聚芳醚酮（PAEK）热塑性带材，这些是航空航天应用最常用的材料。

热塑性带材用于二级航空结构——以及一级结构的挑战

目前，Hou指出，热塑性预浸料的航空结构活动主要集中在二级结构如夹具、检修面板或子结构，而飞行关键一级结构如机翼和机身仍用热固性复合材料或金属制造。

“很多挑战关乎风险管理，”他说，部分问题历史上源于供应商热塑性预浸料的成长烦恼。热塑性材料不如热固性带材成熟。据Hou介绍，热固性带材经历数十年大批量生产以规模化和完善，而热塑性材料在大批量生产自动化工艺中的应用还处于起步阶段。

然而，Web Industries与多家复合材料供应商合作，Hou表示总体材料一致性和规模近几年大幅改善。材料宽度、长度、厚度、纤维张力和树脂均匀性如今都一致得多、质量高得多。

制造更大热塑性一级结构的另一阻碍因素是热塑性材料往往比热固性材料更贵。“若无整体成本优势，不会被广泛采用，”Hou承认，指出协作和技术支持对降低工艺成本至关重要。“从项目早期到结束大家协作共同目标，能达成更好方案。”

工艺灵活性与材料定制化

总体而言，Hou看到热塑性带材现在和未来有巨大潜力和日益增加的活动，灵活性是客户主要转折点之一。

目前，热固性带材主要局限于自动化铺丝（AFP），受限于热压罐固化和储存温度要求。热塑性可实现更灵活的工艺路线和OOA加工，Hou表示，包括用于自动化带材铺设（ATL）的带材格式和用于增材制造的丝材。

据Web Industries介绍，商业规模格式化和供应链解决方案将是为航空结构制造商提供支持预期行业产率所需热塑性分切带材的关键。

热塑性预浸料也可针对特定应用定制。据Hou介绍，最终用户希望材料匹配各应用。因热塑性高度适应性，可为特定零件开发特定格式，最大化材料利用率并降低客户下游成本。随着UAM、太空和军事成为高活跃领域，销售与新业务开发总监Ashley Graeber指出，活动按项目而非飞机项目定制。

为特定应用格式化热塑性材料也有助于减少浪费，销售副总裁Jason Surman表示。航空航天业中，买飞比（原材料与成品质量比）是关键指标。目标是使买飞比尽可能接近1:1，即极少废料。正确格式的正确材料用于正确应用可大幅减少浪费。Surman指出，航空航天业30%浪费“极其常见”，要降至此以下需各方协作努力。

“材料与工艺的结合至关重要，”Surman补充道，“热塑性带材正成为航空结构制造商的赋能解决方案。”